陳東凱, 駱 漢, 馬 瑞, 謝永生, 段 潔
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000; 3.陜西省渭南市臨渭區(qū)林業(yè)工作站, 陜西 渭南 714000)
中國廣袤的西北地區(qū)常年干旱少雨,由其所引發(fā)的一系列問題是制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要因素。據(jù)研究,在植物所遭受的各種非生物災(zāi)害中,干旱對其生長造成的危害最為嚴(yán)重[1];且整個西北地區(qū)植被分布稀疏,地表常年裸露在外,土壤蒸發(fā)量也較大,鹽分在地表聚集,導(dǎo)致鹽漬化問題也十分突出[2],這使當(dāng)?shù)刂参锍嗽馐芨珊档囊u擾外,還要經(jīng)受鹽分的侵害。近年來,隨著中國對自然生態(tài)的逐漸重視,許多學(xué)者對西北地區(qū)的荒漠化治理、植被恢復(fù)、以及對鹽漬化土地的開發(fā)利用等問題進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)栽種耐鹽、耐旱植物是改善生態(tài)環(huán)境最有效、最經(jīng)濟(jì)的一種措施[3-5]。沙蒿(Artemisiadesertorum)是常見的沙生、旱生植物,具有耐干旱、耐鹽堿、耐沙埋等特點,是干旱地區(qū)防風(fēng)固沙的理想植物[6],且由于其較好的耐鹽性,也多栽種于遭受鹽漬化侵害的地區(qū),以此來改善土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu),減弱鹽漬化造成的危害[7]。
在植物生長發(fā)育的過程中,種子的萌發(fā)階段對植物能否存活起到關(guān)鍵作用[8],而生活在干旱、鹽漬化地區(qū)的植物,土壤中的水分、鹽分含量又會直接影響種子的萌發(fā)。因此,植物種子的萌發(fā)階段是研究該植物抗旱、抗鹽性的重要時期[9]。聚乙二醇(PEG-6000)有良好的親水性,可降低溶液水勢,使得植物根系難以從周圍吸收水分,因此在植物的抗旱性研究中,通常使用PEG-6000模擬植物受到的干旱脅迫[10-13]。而在研究植物的耐鹽性時,則常使用NaCl溶液模擬植物受到的鹽分脅迫[14-17]。馬彥軍等[18]就曾運(yùn)用PEG以及NaCl溶液對沙冬青種子的抗旱、抗鹽性進(jìn)行了相關(guān)的研究,為沙冬青種的人工栽種提供了參考依據(jù)。在沙蒿方面,一些學(xué)者對沙蒿根系的固土能力[19]、落葉溶解性有機(jī)質(zhì)[20]、及其對生物結(jié)皮和下伏土壤養(yǎng)分的影響[21]進(jìn)行了研究,但關(guān)于沙蒿種子萌發(fā)以及其抗鹽、抗旱性的研究并不多見。因此本試驗分別運(yùn)用不同濃度的聚乙二醇(PEG-6000)和NaCl溶液處理種子,以模擬沙蒿種子萌發(fā)時受到的干旱以及鹽分脅迫,探究在不同含鹽量以及干旱脅迫條件下種子萌發(fā)期間各項生理指標(biāo)的變化過程,了解沙蒿的抗鹽、抗旱程度,揭示其能正常萌發(fā)的適宜濃度范圍,以期為沙蒿在鹽漬化以及干旱地區(qū)的人工栽種提供參考。
沙蒿種子于2016年10月采收于甘肅民勤沙生植物園(103°09′11″E,38°62′48″N),平均海拔1 400 m,溫帶大陸性干旱氣候,年均降水量為127.7 mm,年均蒸發(fā)量2 623 mm,年均氣溫8.3 ℃。千粒重0.467 g,經(jīng)干燥、清潔處理后存放于4 ℃的冷藏室中保存。試驗所用聚乙二醇6000(PEG-6000)、NaCl分別由中國醫(yī)藥(集團(tuán))上?;瘜W(xué)試劑公司、天津西爾斯化工有限公司生產(chǎn)。
1.2.1 種子預(yù)處理 挑選大小一致、沒有明顯破損及病蟲害的種子為試驗材料,使用75%的酒精對供試種子消毒1~2 min,之后用蒸餾水沖洗種子表面,再將其浸泡于75 ℃的水中24 h[22],最后使用濾紙吸干表面水分備用。
1.2.2 培養(yǎng)皿處理 將玻璃培養(yǎng)皿放入122 ℃的高壓蒸汽鍋中消毒25 min[23]。一組3個培養(yǎng)皿,編號1,2,3,試驗共設(shè)置15組,共計45個培養(yǎng)皿。其中蒸餾水對照1組,PEG溶液處理5組,NaCl溶液處理9組。每個培養(yǎng)皿中鋪設(shè)兩張干凈無菌的濾紙,再將預(yù)處理好的沙蒿種子均勻放置在濾紙上,每個培養(yǎng)皿共放置50粒種子。
1.2.3 PEG脅迫處理 試驗采用紙上發(fā)芽法[24]。按照Michel等[25]的方法,PEG-6000溶液配置5個濃度水平:5%,10%,15%,20%,25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。每組培養(yǎng)皿對應(yīng)一個濃度水平(3次重復(fù)),將PEG溶液加入每個培養(yǎng)皿中直至濾紙飽和,然后對各培養(yǎng)皿依次稱重記錄。
1.2.4 NaCl脅迫處理 配置濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%,1.2%,1.4%,1.6%,1.8%的NaCl溶液,每組培養(yǎng)皿對應(yīng)一個濃度水平(3次重復(fù))。將配置完成的NaCl溶液加入培養(yǎng)皿中直至濾紙飽和,并依次稱重記錄。最后將所有處理完畢的培養(yǎng)皿放置在室溫25 ℃,相對濕度為50%,采用自然光照的組培室中進(jìn)行種子萌發(fā)試驗。
按照《國際種子檢驗規(guī)程》[26]的方法,本次試驗以30 d為期限。從處理完畢的第二天開始,每天使用分析天平定時稱量培養(yǎng)皿,根據(jù)重量的變化及時向培養(yǎng)皿內(nèi)加入蒸餾水,補(bǔ)償由于種子吸收以及水分蒸發(fā)而損失的水分,確保PEG滲透壓和NaCl濃度不變。同時每天應(yīng)觀察并記錄每個培養(yǎng)皿中發(fā)芽的種子數(shù)直至整個發(fā)芽過程結(jié)束。結(jié)束后,從每個培養(yǎng)皿中隨機(jī)挑選10株沙蒿幼苗為一組,使用分析天平稱量并記錄每組幼苗的鮮重并取平均值。
發(fā)芽率指在測試種子中,已發(fā)芽的種子粒數(shù)占測試種子總粒數(shù)的百分比。
GR=N/M×100%
(1)
式中:GR為種子發(fā)芽率(%);N為已發(fā)芽的種子數(shù)(粒);M為每盒中的種子總數(shù)(粒);
發(fā)芽勢指在整個試驗過程中,從種子開始發(fā)芽到種子發(fā)芽達(dá)到最高峰時,已發(fā)芽的種子數(shù)占測試種子粒數(shù)的百分比[27]。
GP=W2/M×100%
(2)
式中:GP為種子發(fā)芽勢(%);W2為在第2天種子發(fā)芽達(dá)到最高峰時發(fā)芽的種子數(shù)(粒);
發(fā)芽指數(shù)是指測試種子發(fā)芽成活的統(tǒng)計指數(shù),一般情況下代表該測試種子的均值發(fā)芽率[28]。
GI=∑Gt/Dt
(3)
式中:GI為種子發(fā)芽指數(shù);Gt為第t天發(fā)芽的種子數(shù),粒;Dt為相對應(yīng)的天數(shù);
種子活力是指種子在所處環(huán)境條件下的發(fā)芽出苗能力[29]。
VI=GI×S
(4)
式中:Ⅵ為種子活力指數(shù);S為幼苗鮮重(g);
使用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,使用SPSS 19.0分析軟件對發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性檢驗(顯著水平為95%),使用Origin 9.0軟件繪圖。
本試驗中所有處理3次重復(fù)之間差異性不顯著(p>0.05)。從圖1可以看出,隨著NaCl濃度逐漸升高,沙蒿種子的發(fā)芽率總體呈現(xiàn)下降趨勢。但當(dāng)使用0.2%的NaCl溶液處理種子時,沙蒿種子的發(fā)芽率為70.9%,比對照組高2.2%。當(dāng)NaCl溶液濃度高于0.2%時,沙蒿種子的發(fā)芽率雖然隨著溶液濃度的升高而持續(xù)降低,但NaCl的濃度為0.4%,0.6%時,沙蒿種子的發(fā)芽率與對照組相比并未表現(xiàn)出顯著差異性(p>0.05);當(dāng)溶液濃度從0.8%遞增到1.8%時,種子發(fā)芽率與對照組相比下降幅度較大且差異性顯著(p<0.05),當(dāng)溶液濃度達(dá)到本次試驗的最大值1.8%時,種子的發(fā)芽率僅為25.1%,比對照組的發(fā)芽率低43.6%。這表明,當(dāng)NaCl濃度≤0.6%時,沙蒿種子發(fā)芽率未受到顯著影響,但當(dāng)其濃度高于0.6%時,沙蒿種子的萌發(fā)能力受到了明顯抑制。發(fā)芽勢可以用來衡量種子品質(zhì)的好壞,一般來說,發(fā)芽勢越高說明種子品質(zhì)越好發(fā)芽也會更加同步,因此人們常用這一指標(biāo)來表示種子發(fā)芽的整齊程度[30]。由圖1可見,隨著NaCl溶液濃度的逐漸升高,沙蒿種子的發(fā)芽勢總體也呈下降態(tài)勢。當(dāng)使用0.2%的NaCl溶液處理沙蒿種子時,種子的發(fā)芽勢為48.8%,與對照組的46.7%相比上升了2.1%,說明低濃度的NaCl溶液對種子萌發(fā)有一定促進(jìn)作用。當(dāng)溶液濃度從0.4%遞增到1.8%時,種子發(fā)芽勢逐漸降低,為3.4%~44.5%。但當(dāng)溶液濃度為0.4%,0.6%時,其發(fā)芽勢與對照組相比沒有表現(xiàn)出顯著差異性(p>0.05);當(dāng)NaCl的濃度高于0.6%后,種子的發(fā)芽勢與對照組相比下降幅度在34.2%~44.7%之間,下降幅度較之前明顯增大,且與對照組相比差異性顯著(p<0.05)。
注:圖中同組不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。
從圖2可以看到,當(dāng)沙蒿種子受到各濃度梯度的NaCl溶液處理后,沙蒿種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)總體皆呈下降趨勢。當(dāng)使用濃度為0.2%,0.4%,0.6%的NaCl溶液處理沙蒿種子時,其發(fā)芽指數(shù)與對照組相比差異不顯著(p>0.05),其數(shù)值分別下降了4.5,10.1,12.7;當(dāng)NaCl濃度>0.6%時,各處理下的種子發(fā)芽指數(shù)分別下降了27.9,31.4,37.8,41.2,45.0,54.0,下降幅度較之前有明顯增加,且與對照組相比差異顯著(p<0.05)。當(dāng)NaCl溶液的濃度在0.2%~0.6%的范圍內(nèi)變化時,沙蒿種子的活力指數(shù)與對照組相比差異不顯著(p>0.05),其數(shù)值分別下降了0.4,0.6,0.8。當(dāng)NaCl溶液>0.6%時,各處理下的種子活力指數(shù)與對照組差異顯著(p<0.05),其數(shù)值分別下降了1.6,1.8,2.2,2.4,2.8,3.1??梢?,當(dāng)NaCl溶液的濃度≤0.6%時,沙蒿種子仍可以正常萌發(fā),對鹽分脅迫表現(xiàn)出較強(qiáng)耐受性。
圖2 不同濃度NaCl溶液處理下沙蒿種子發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)
由圖3可知,隨著PEG溶液濃度的逐步升高,沙蒿種子的發(fā)芽率逐步降低。當(dāng)PEG濃度≤15%時,沙蒿種子的發(fā)芽率均保持在60%以上,與對照組的發(fā)芽率68.7%相比有小幅下降(2.4%~8.9%),但差異不顯著(p>0.05)。當(dāng)PEG濃度增加至20%時,種子的發(fā)芽率為46.4%,比對照組顯著降低,下降幅度為22.3%(p<0.05);當(dāng)PEG溶液濃度達(dá)到25%時,沙蒿種子的發(fā)芽率僅為32.3%,比對照組顯著降低了36.4%(p<0.05),這表明沙蒿種子在PEG濃度>15%時,種子的發(fā)芽能力被顯著抑制。從種子發(fā)芽勢來看,使用不同濃度的PEG溶液處理沙蒿種子時,發(fā)芽勢也呈現(xiàn)出下降趨勢(圖3)。當(dāng)PEG濃度為5%~15%時,種子發(fā)芽勢與對照組46.7%均無顯著差異,其中,當(dāng)溶液濃度為5%時,種子發(fā)芽勢為47.9%,略高于對照組(p>0.05)。當(dāng)溶液濃度遞增到20%時,沙蒿種子的發(fā)芽勢為15.8%,與對照組相比明顯下降(p<0.05),其發(fā)芽勢降低了30.9%。當(dāng)濃度達(dá)到25%時,種子的發(fā)芽勢僅為14.5%,與對照組相比下降了32.2%(p<0.05),這表明PEG濃度≤15%時,種子萌發(fā)能力未受到顯著影響,但當(dāng)其濃度繼續(xù)增大時,種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢均顯著降低。
圖3 不同濃度PEG溶液處理下沙蒿種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢
通過圖4可見,當(dāng)沙蒿種子被不同濃度的PEG溶液處理后,種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)整體呈現(xiàn)出下降趨勢。當(dāng)PEG濃度為5%~15%時,兩項指標(biāo)與對照組均無顯著差異,其中,當(dāng)PEG溶液濃度為5%時,種子的兩項指標(biāo)略高于對照組(p>0.05);當(dāng)PEG溶液的濃度為10%,15%時,種子的發(fā)芽指數(shù)相比對照組分別下降0.24,2.54,種子的活力指數(shù)分別下降0.1,0.2,下降幅度均較小(p>0.05)。當(dāng)PEG的濃度達(dá)到20%,25%時,沙蒿種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)下降幅度明顯增大,發(fā)芽指數(shù)減少了22.14,42.49,活力指數(shù)下降了1.6,2.7,與對照組呈現(xiàn)出顯著差異(p<0.05)。
圖4 不同濃度PEG溶液處理下沙蒿種子發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)
本試驗使用NaCl溶液處理沙蒿種子模擬種子受到的鹽分脅迫,探討沙蒿種子的萌發(fā)能力在鹽漬化地區(qū)受到的影響。結(jié)果顯示,當(dāng)使用濃度為0.2%~0.6%的NaCl溶液處理種子時,種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與對照組相比雖有一定的波動,但并未表現(xiàn)出顯著差異;這其中,當(dāng)NaCl溶液濃度為0.2%時,種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢皆高于對照組,這說明低濃度的NaCl溶液對種子萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用。這與張?zhí)K江等[31]、馬琳等[32]的研究結(jié)論是一致的,這是因為NaCl溶液中的Na+為植物生長發(fā)育初期所需元素,從而促進(jìn)種子萌發(fā);與此同時溶液中的部分Na+能夠提高細(xì)胞滲透勢促進(jìn)種子吸水,這同樣有利于種子的萌發(fā)。但當(dāng)NaCl溶液的濃度為0.8%時,上述各項指標(biāo)均顯著下降(p<0.05),之后隨著溶液濃度的持續(xù)升高,種子的上述指標(biāo)則進(jìn)一步降低。較高濃度的NaCl溶液會使種子外部滲透壓升高,導(dǎo)致種子內(nèi)部水分進(jìn)入到溶液中,限制種子萌發(fā);同時高濃度的離子環(huán)境對植物種子又會造成離子毒害作用,從而抑制種子萌發(fā)能力[33]。本試驗中NaCl溶液濃度為0.6%時,是種子萌發(fā)能力顯著降低的轉(zhuǎn)折點。由此可推知,沙蒿種子對較低含鹽量的環(huán)境表現(xiàn)出較強(qiáng)耐受性,這與楊佳鑫等[30],朱金方等[34]的研究結(jié)果相似。
使用PEG溶液處理沙蒿種子模擬干旱對種子的脅迫,主要是利用其對種子的滲透調(diào)節(jié)作用[35]。在此次試驗中,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)PEG溶液的濃度為5%~15%時,沙蒿種子的發(fā)芽率均保持在60%左右,發(fā)芽能力差異不顯著(p>0.05);這其中當(dāng)種子受到5%的PEG溶液處理時,其發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別比對照組高出1.2,4.0,0.3,這表明低濃度的PEG溶液對種子萌發(fā)有促進(jìn)作用,這與一些研究結(jié)論是一致的[36-37],原因可能是輕微干旱脅迫促使種子自我保護(hù)機(jī)制的啟動,減少種子吸脹過程中膜系統(tǒng)的損傷,有利于膜系統(tǒng)的修復(fù),提高了種子內(nèi)酶的活性加速了新陳代謝作用,從而提高植物種子發(fā)芽率[38]。但當(dāng)PEG溶液的濃度達(dá)到20%,25%時,種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)有了明顯下降。由此可知,沙蒿種子在PEG濃度≤15%時,其發(fā)芽能力未受到明顯抑制,但是當(dāng)溶液濃度超過這一數(shù)值后,種子的萌發(fā)能力會隨濃度的升高而大幅降低。這是因為種子在重度干旱脅迫下,細(xì)胞內(nèi)自由基過度積累,造成膜的完整性受損并導(dǎo)致滲透調(diào)節(jié)功能紊亂,種子萌發(fā)能力被抑制[39]。本試驗中,PEG溶液的濃度為15%時,是種子萌發(fā)能力顯著降低的轉(zhuǎn)折點,高于此濃度時種子萌發(fā)受到顯著抑制。
沙蒿作為耐鹽、耐旱的理想植物在西北地區(qū)廣泛栽種,本試驗結(jié)果表明沙蒿種子萌發(fā)能力隨NaCl和PEG溶液濃度的升高均呈先上升后下降,在某一濃度后顯著受抑制的變化趨勢,這與沙冬青[40]、沙棘[41]、檉柳等[42]沙生植物對干旱和鹽分脅迫的響應(yīng)機(jī)制相似,只是不同物種對應(yīng)不同的溶液適宜值、臨界值和極限值。本試驗結(jié)果補(bǔ)充了對沙蒿種子耐旱、耐鹽堿程度的研究,揭示了適宜其種子萌發(fā)的NaCl和PEG濃度界限,對其最適宜種植的環(huán)境條件和區(qū)域的確定具有重要的參考價值,可提高植被恢復(fù)效率、節(jié)約治理成本。但本試驗仍存在一定的不足,因為NaCl同樣會改變?nèi)芤簼B透壓,因此沙蒿種子會遭受鹽害以及干旱的雙重脅迫。在今后的試驗中,我們將改進(jìn)試驗設(shè)計,將NaCl與PEG溶液的滲透壓設(shè)為相同,比較干旱以及鹽害對種子萌發(fā)影響的相對大小。
沙蒿種子萌發(fā),NaCl,PEG溶液的最適宜濃度分別為0.2%,5%。在較低濃度的NaCl(≤0.6%),PEG(≤15%)溶液的脅迫下,其各項生理指標(biāo)與對照組相比未發(fā)生顯著變化,種子的萌發(fā)能力未受明顯抑制。當(dāng)NaCl溶液濃度>0.6%,PEG濃度>15%時,種子的萌發(fā)能力顯著降低。因此NaCl濃度為0.6%,PEG濃度為15%時,是沙蒿種子萌發(fā)能力受到明顯抑制的轉(zhuǎn)折點。試驗結(jié)果證實了沙蒿僅在一定鹽分以及干旱脅迫程度內(nèi)有較強(qiáng)的耐鹽、耐旱性,對西北地區(qū)沙蒿的人工栽種具有指導(dǎo)意義。